CN101107387A - 用于电解池的电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生气体的电化学过程的电极，呈组装状态的电极是与离子交换隔膜平行而且相对放置的，并且由许多卧式薄层元件组成，构成一些卧式薄层元件并且是三维成形的而且只用一个表面与隔膜接触，其中薄层元件具凹槽和孔眼，大部分孔眼设置在凹槽内或者延伸到凹槽内。在像这样的方法中，理想的是孔眼设置在各自的薄层元件与隔膜的接触面积内。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从含水碱性卤化物溶液产生像氯气之类气体电化学过程的电极，呈组装状态的电极是与离子交换隔膜平行而且相对放置的，并且由许多卧式薄层元件组成。构成一些薄层元件并且三维成形，其部分表面直接与隔膜接触，而且一些薄层元件装有凹槽和孔眼，其中大多数孔眼设置在凹槽内而像这样的孔眼的全部表面面积或者其部分表面面积是设置在凹槽内或在其内延伸。优选的是孔眼设置在有关薄层元件与隔膜的接触面积内。
背景技术
在技术上大家知道在一些电解设备中要应用的产生气体的一些电化学过程和相应的一些电极；例如在DE19816334中公开一些像这样的电极。以上的专利描述一种用于从含水碱性卤化物溶液产生卤素气体的电解池。当电解中的产物气体负面影响在隔膜/电极表面中的流动特性时，DE19816334建议安装一些向水平面倾斜的专用百叶窗类型元件。在这种方法中因为聚集在一些专用薄层元件下面的气泡通过开口向上流动所以在电解池内形成横向流动。
然而DE19816334没有提出如何克服一定量的气被捕集在百叶窗型元件下面以致相当大比率的隔膜表面面积被堵塞的问题。在堵塞区域内流体环流受阻，所以气体产生不会发生在该区域内。此外，气体滞流减低局部隔膜导电性，导致在剩余区域内的电流密度上的一个增量，而这又导致增大了电解池电压和增加了能量耗费。
为了消除阻塞影响，EP0095039公开装有横向凹槽的薄层元件。然而在DE4415146中指出上述凹槽不能胜任防止阻塞。因此，DE4415146公开装有向下放置的孔口或开口的薄层元件以便增强气体释放流动。
然而，这种方法不能解决在相应接触区域内捕集的残留气体部分而阻碍电解液流动的问题。
发明内容
所以本发明的其中一个目的在于提供一种克服上述不足之处、防止阻塞现象或者使阻塞现象减至最低程度的电极。
用根据附加权利要求1的一种电极来达到通过以下描述将会清楚的本发明这个目的和本发明其他一些目的。供用于产生气体电化学过程的电解池用的这种根据本发明电极是在安装状态中与离子交换隔膜平行而且对向排列的并且由许多所配置的而且三维成形的卧式薄片元件组成。
薄层元件的部分表面是直接与隔膜接触，而且上述元件装有至少一个凹槽，凹槽延伸到直接与隔膜接触的薄层元件表面部分内，上述至少一个凹槽其本身又装有至少一个孔眼。优选的是，薄层元件装有许多凹槽和许多孔眼，孔眼的主要部分设置在凹槽内，因此至少部分孔眼表面位于凹槽内或者延伸到凹槽内。
在一个特别优选的实施例中，一些孔眼配置在各个薄层元件与隔膜的接触面积内。更优选的是，装有孔眼的凹槽配置在面向隔膜的侧面上，而且对流动没有阻碍。当电流占用电阻最小的通路时，电极具有主要的优点在于一方面通过凹槽给承受最高电流密度的区域、即接触面积、提供用于流体中的向下气流的理想出口，而另一方面更大量产物气体向上经由凹槽或经由孔眼输送到电极背侧面。
此外，发现把孔眼安置在凹槽内是一个理想的解决办法，因为能够在接触面积内形成最小的隔膜-电极间隙所以在流体供应部分或者完全阻塞的情况下孔眼没有被与隔膜的重叠而堵塞。
因为孔眼的完整内表面面积基于紧靠着隔膜而起一个活性电极表面作用，所以确定像这样的孔眼位置是最佳的也是可以实现的。如果选择直径小于薄片厚度的孔眼，那么实际上所有孔眼有助于扩大总活性电极表面。
在一个本发明的特别优选的实施例中，二个或更多个孔眼配置在与隔膜接触面积内的凹槽中。
在一个本发明特定的实施例中，把薄层元件取成像由通过弓形过渡区域连接的二个侧面组成的镰刀一样形状。弓形部分指向隔膜而二个侧面都向隔膜倾斜成10度角。
在一个本发明的优选实施例中，使一些单独薄层元件形状从一开始稍凸的部分取成为扁平C外形，在安装状态中扁平C外形与隔膜平行。在安装时，二个或更多个侧面部分向隔膜倾斜成至少10度。把一个或若干个具有任何外形的过渡区段配置在稍微凸的部分和侧面部分之间。有利的是，一些过渡面积形成圆拱边缘。
薄层元件的表面面积，根据本发明其特征在于为在接触表面面积和自由活性表面面积之间比率的参数FV1，根据公式
FV1＝(F2+F3)/(F1+F4+F5)
式中
F1是在F2部分中的凹槽表面面积，
F2是与隔膜接触的细长条类型面积，
F3是从细长条类型接触面积到凹槽壁的过渡面积，
F4是孔眼壁的表面面积，和
F5是在F2部分中的凹槽壁的表面面积。
在一个本发明的优选实施例中，FV1是小于0.5，更优选的是小于0.15。在一些孔眼的区域中薄片厚度是大于一些孔眼的液力直径的30％。液力直径定义为四倍表面面积和自由流动横截面之间的比率，这在圆形孔眼的情况中相当于几何学上的直径。在一个特别优选的实施例中，在凹槽区域中的薄片厚度不超过上述液力直径的50％。
根据本发明，电极中的一些孔眼可以具有任何类型的形状，例如有优势的是它们能够取成为具有宽度小于1.5mm的细长方形孔的形状。
本发明电极的一个优选实施例规定限制凹槽深度以便在保持流体阻力不太高时以更适合于反应的活性电极表面方式获得凹槽壁和基底，上述深度为小于1mm或者更优选的是小于0.5mm，或者再更优选的是不高于0.3mm。
此外，在一个优选实施例中，设定在总接触表面面积和没有进入与隔膜接触的总表面面积之间的比率FV2小于1，或者更优选的是小于0.5而再更优选的是小于0.2。FV2定义为下列式子：
FV2＝F6(F1+F2)
式中F1和V2是以上定义的数值，代表预定接触表面面积，而F6代表直接面向隔膜的薄层元件的侧面表面面积，上述侧面表面离开隔膜倾斜而且不进入与隔膜接触。
在另一方面中，本发明针对用于从含水碱性卤化物溶液产生卤素气体的电解过程，通过本发明的电极或者通过使用像这样一些电极的电解池来实施上述过程。
在一个优选实施例中，用于卤素气体生产的上述电解过程使用一些所设计的压力过滤器单电解池类型、装入本发明电极作为必不可少零件的电解池。
附图说明
在下文中借助于附图描述本发明，附图是当作实施例提供的而且将不打算把附图作为一种本发明范围的限制，其中图1a是本发明电极的透视图，图1b是其细部图，图2a和2b详细表示薄层元件，图3表示具有扁平C型外形的薄层元件，图4是图3中的薄层元件的侧视图。
具体实施方式
图1表示本发明电极的透视图，电极表示为其间装有凹槽2和细长条类型表面3的三个平行薄层元件1。在这个特定实施例中，每隔一个凹槽2安置一个从正面、相当于可看得到的表面、到背面穿过薄层元件1的孔眼4。
如图1b详细所示，由两个侧面元件、由弧形过渡区域或肘角7连接的上侧面5和下侧面6、组成薄层元件1。把孔眼4精确地设置在过渡区域7内，在安装电极时把孔眼安置在与隔膜9接触区域8的中心内。在本实施例中，接触面积8几乎与过渡区域7重合，由表面面积F1到F3形成接触面积8，其中F2代表与隔膜的细长条类型接触面积，F1代表在F2部分中的凹槽表面面积，和F3代表从细长条类型接触表面到凹槽壁的过渡面积。
在和同一实施例有关的图2a横截面图中，隔膜9在凹槽壁10上面沿着薄层元件1的轮廓线而行。弯曲角度12确定隔膜9到薄层元件1的间隙面积的位置和宽度而间隙面积位于接触面积8和没有与隔膜接触的面积11之间。在以上的实施例中以成椭圆形地延伸的孔眼圆周的小半径在隔膜9到薄层元件1的上述间隙面积内结束的这样方式选择弯曲角度12。这种方案具有主要优点在于扩大的容积可以适用于复杂的气体释放和流体输送到窄凹槽区域内。借助于虚线圆圈辨认从薄层元件卸下隔膜9的过渡面积7。
图2b描绘同一个在安装时在运作期间的薄层元件1。反电极13面向隔膜9的相对侧面而二个电极都被卤水或氢氧化物(未表示出)和被气泡14淹没。此外，图2b表示用于氯碱生产的组件，其中阳极，在这样情况下是薄层元件1直接与隔膜接触、这个阴极的表面，在这样情况下是反电极13的阳极。如图2b举例说明的那样，因为起阴极电解液作用的氢氧化物具有比较优良的导电性所以在隔膜9和阴极13之间保持间隙。在本实施例中反电极13是用网眼钢板的网状物制作的。
图3表示扁平C类型外形的薄层元件1。凹槽2是足够宽的以致孔眼4一点也没有使凹槽壁10强度降低。细长条型表面3的宽度大约仅仅是凹槽2宽度的1/3。更进一步，倒弓形侧面5和6是非常短的而包括表面面积F1到F3的接触面积要大许多倍。以上所定义的表面面积比率FV2比在用图说明的实施例的情况中小0.2。本实施例的主要优点在于与隔膜平行的活性面积配置在二个过渡面积之间以确保一个用于电化学反应的理想条件。通过孔眼4给凹槽2供之以被上浮气泡拖着的氢氧化物或卤水。
图4表示上述实施例。如图4所示，用下侧面6阻止上浮气泡来保护不面向隔膜9的薄层元件部分，以便带走在孔眼4内形成的气泡而且能够把氢氧化物或卤水拖入凹槽2内。借助于虚线圆圈来辨认隔膜9与薄层元件分离的过渡面积7。
对于在相应的凹槽中的2mm孔眼直径和1mm厚度薄片来说，本发明的镰刀外形薄层元件提供每个孔眼大约3.14mm2扩大的活性电极表面面积。因此，在装备本发明电极的标准电解池的情况下，通过105000个单独孔眼来获得0.11m2活性表面面积增量。在一种实施电解池中测量特征在于镰刀型外形、根据本发明2.7m2电极的电解池电压。与相同外部尺寸的现有技术电极相比，在6KA/m2电流密度时检测出大于50mV的相当大的电压降。
Claims (15)
1.一种电极，用于在装备离子交换隔膜的电解池中产生气体电化学处理，包括许多具有与离子交换隔膜直接接触表面部分、卧式三维成形的薄层元件，其特征在于薄层元件装有至少一个延伸到与隔膜直接接触的表面部分内的凹槽，上述至少一个凹槽装有至少一个孔眼。
2.根据权利要求1的电极，其特征在于至少一个孔眼设置在直接与离子交换隔膜接触的上述表面部分内。
3.根据权利要求1或2的电极，其特征在于上述凹槽配置在面向离子交换隔膜的电极侧面上而对流动没有障碍。
4.根据前述权利要求中的任何一个权利要求的电极，其特征在于至少一种孔眼是许多的孔眼。
5.根据前述权利要求中的任何一个权利要求的电极，其特征在于单独薄层元件具有镰刀形状，包括由过渡面积连接的两个侧面元件，上述过渡面积朝着隔膜方向弯成弓形而上述侧面元件相对隔膜倾斜至少10度。
6.根据权利要求1至4中任一个权利要求的电极，其特征在于单独薄层元件具有由一开始稍微凸的部分形成的扁平C外形形状而且包括至少一个相对隔膜倾斜至少10度的侧面元件和至少一个配置在上述稍微凸出部分和上述至少一个元件之间的过渡面积。
7.根据权利要求5或6的电极，其特征在于接触表面对自由活性电极表面比率(F2+F3)/(F1+F4+F5)小于0.5，式中，
F1是在F2部分中的凹槽表面面积，
F2是与隔膜接触的细长条类型面积，
F3是从细长条类型接触面积到凹槽壁的过渡面积，
F4是孔眼壁的表面面积，和
F5是在F2部分中的凹槽壁的表面面积。
8.根据权利要求7的电极，其特征在于上述接触表面对自由活性电极表面比率小于0.15。
9.根据权利要求7或8的电极，其特征在于在相应的孔眼中凹槽厚度大于孔眼液压直径的40％。
10.根据权利要求7的电极，其特征在于凹槽深度小于1mm。
11.根据权利要求10的电极，其特征在于凹槽深度不大于0.3mm。
12.根据权利要求1至11中的一个权利要求的电极，其特征在于比率F6/(F1+F2)小于1，式中
F1是在F2部分中的凹槽表面面积，
F2是与隔膜接触的细长条类型面积，
F6是直接面向隔膜的薄层元件侧面表面面积。
13.根据权利要求12的电极，其特征在于上述比率F6/(F1+F2)小于0.2。
14.一种电解池，可选择用于从含水碱性卤化物溶液产生卤素气体的单池结构类型或压力过滤器结构类型，其特征在于包括至少一个在前述权利要求中的任何一个权利要求的电极。
15.一种用于产生卤素气体的电解处理，其特征在于给权利要求14的电解池供之以含水碱性卤化物溶液和在于应用电解池的一个外部电路。
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